專利名稱：納米線磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性器件和這種器件的集成陣列，尤其是存儲(chǔ)器，以及 這種器件的制造方法。
背景技術(shù)：
利用自旋極化電子流的磁性器件公知為磁性非易失性存儲(chǔ)器。通常 這種器件包括至少兩個(gè)由諸如金屬或絕緣體之類的非磁性材料分離的鐵磁性電極。電極的厚度一般在lnm到50nm之間。器件的阻抗取決于磁性 電極的相對磁化方向，例如它們是平行排列還是反平行排列(即磁化呈 平行線，但是指向相反的方向)。通常其中一個(gè)電極固定的磁化，也就是 比另一個(gè)電極具有更大的矯頑力，同時(shí)需要更強(qiáng)的磁場或自旋極化電流 來改變其磁化方向。第二層公知為自由層，其磁化方向可相對于第一層 改變以存儲(chǔ)"1"或"0"。兩種狀態(tài)的器件阻抗有所不同，因此可以將 器件阻抗用來讀取狀態(tài)，.區(qū)分"1"和"0"。在傳統(tǒng)的磁性隨機(jī)存取存 儲(chǔ)器(MRAM)設(shè)計(jì)中，磁場通過使用位于磁性層附近的載流導(dǎo)線來改變 自由層的磁化方向。串?dāng)_會(huì)限制存儲(chǔ)器的密度和/或造成存儲(chǔ)操作錯(cuò)誤。 還有，這些導(dǎo)線在電極位置處產(chǎn)生的磁場僅限于大約0.1特斯拉，因此 會(huì)導(dǎo)致較慢的器件操作。也可以用穿過自由層的自旋極化電流直接改變磁場取向。如美國專 利申請2005/0041462所述，流動(dòng)電子的自旋角動(dòng)量與磁性區(qū)的本底磁化 直接作用。移動(dòng)中的電子將自己的一部分自旋角動(dòng)量傳遞給本底磁化， 在該區(qū)磁化上產(chǎn)生扭矩以改變磁化方向。磁化層的優(yōu)選軸一般都是"垂 直的"(即相同方向或取向)。這份專利申請建議使用磁化不平行于同一 個(gè)軸的層來提高速度、可靠性以及功率消耗。使用磁性層的柱狀疊層， 寬度下至200mn。沿穿過疊層的一個(gè)方向上的電流脈沖將使磁場旋轉(zhuǎn)180度，改變狀態(tài)。沿同一方向的另一個(gè)電流脈沖再使磁場旋轉(zhuǎn)180度，回到原來的狀態(tài)。因此，將使用兩個(gè)電流脈沖改變磁化方向，以提高寫入速度第一 個(gè)脈沖用于開始旋轉(zhuǎn)磁化方向，沿另一個(gè)方向的停止脈沖用于停止旋轉(zhuǎn)。 這樣就減少了磁化方向的進(jìn)動(dòng)時(shí)間。將需要針對金屬鐵磁體切換磁化方向的高臨界電流密度報(bào)告為是 個(gè)很難的問題。在金屬鐵磁體中，用于磁化方向反轉(zhuǎn)的臨界電流大約為 107到108^I/cm2。這一電流密度對于集成電路中使用的許多材料(例如金屬)而言太高了。高電流密度也就意味著高功率消耗。根據(jù)美國專利申請2004 0257894中公知的是提出了一種場效應(yīng)磁 性自旋手控器件，用于通過電場載流子摻雜寫入MRAM。所述器件使用稀 磁半導(dǎo)體(DMS)材料。稀磁半導(dǎo)體區(qū)通過FET電場切換。根據(jù)Applied Physics Letters 86， 032506 (2005)公知的是提出 了一種鐵磁性Mn慘雜GaN納米線。稀磁半導(dǎo)體(DMS)是5XMn摻雜的 GaN半導(dǎo)體。5%Mn摻雜的GaN納米線已經(jīng)利用Ga/GaN/MnCl2和Nft反應(yīng) 進(jìn)行化學(xué)氣相沉積制得。納米線的直徑為40 — 70nm。 5%Mn摻雜的GaN 納米線在室溫具有鐵磁性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的磁性器件，和/或這種器件的集成陣 列，尤其是存儲(chǔ)器，和/或這種器件的制造方法。根據(jù)第一方面，發(fā)明提供磁性器件，包括具有固定磁化方向的第一磁性層；具有可變磁化 方向的自由磁性層；將第一磁性層與自由磁性層相分離的分隔層；以及 諸如開關(guān)之類的選擇裝置，用于選擇磁性器件，所述層和至少一部分選 擇裝置(例如開關(guān))形成為的柱狀結(jié)構(gòu)。開關(guān)由柱狀結(jié)構(gòu)整體形成。優(yōu) 選地，柱狀結(jié)構(gòu)是納米結(jié)構(gòu)。該納米結(jié)構(gòu)可以是納米線或納米管或其他 類似結(jié)構(gòu)。通過將選擇裝置(例如開關(guān))合并進(jìn)柱狀結(jié)構(gòu)和磁性層，可以磁性 器件做的更小，以能夠?qū)崿F(xiàn)更大的集成或更低的制造成本。集成還可以提高寫入速度，并且允許較高的存儲(chǔ)密度。由于將選擇器件合并入柱狀 結(jié)構(gòu)，選擇裝置不需要附加的空間。當(dāng)寫入電流較小時(shí)，漏磁場減小。 然而，由于使用納米結(jié)構(gòu)，電流密度很高。本發(fā)明可應(yīng)用于使用外部磁場或僅用在磁性器件上產(chǎn)生的場的磁性器件，例如柱狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還可以應(yīng)用于自旋電子器件(spintronic device)。磁性器件可以配置為呈存儲(chǔ)器并且具有電路，所述電路配置用于向 沿所述柱狀結(jié)構(gòu)的電流耦合足夠自旋極化電流密度，以改變自由磁性層 的磁化方向。沿柱狀結(jié)構(gòu)的電流可以是正向或反向的，用于以根據(jù)電流方向向存 儲(chǔ)器寫入值。這樣可以在無外加場以及無需設(shè)定寫入電流等級(jí)以改變狀態(tài)的情 況下寫入器件或切換器件。因此，器件可以更簡單、容易的制造，而且 更緊湊。通過使用寫入過程的電流誘發(fā)磁化反轉(zhuǎn)可以降低讀取和寫入功 率損耗。反轉(zhuǎn)可以發(fā)生地執(zhí)行，例如在幾百個(gè)皮秒。當(dāng)寫入電流較小時(shí)， 漏磁場減小。一個(gè)或多個(gè)磁性層可以包括稀磁半導(dǎo)體材料(DMS)。各層形成為柱 狀結(jié)構(gòu)以及DMS材料的使用有助于使得自旋極化電流密度能夠達(dá)到所需 水平，因此不需要外加場來改變方向。本發(fā)明的優(yōu)勢在于可在一個(gè)步驟中生長存儲(chǔ)單元和選擇裝置，例如 外延生長。在這一步驟中可以引入所需的雜質(zhì)原子，例如針對選擇裝置 的n摻雜劑或p摻雜劑以及針對存儲(chǔ)單元的磁性雜質(zhì)，諸如Mn、 Co和 Fe，無需異質(zhì)結(jié)構(gòu)。例如，半導(dǎo)體材料可以是GaN、 GaAs或InN。磁性器件分隔層的厚度配置為使得自由層在第一磁性層多數(shù)載流 子的自旋翻轉(zhuǎn)長度內(nèi)。更加有利的是，DMS材料的自旋翻轉(zhuǎn)長度比金屬 的大得多。分隔層的厚度應(yīng)該比第一磁性層和自由層之間的磁性耦合長度(例 如層間交換耦合或其他磁性耦合，諸如剝離耦合)大，因?yàn)樽杂蓪討?yīng)該 能夠旋轉(zhuǎn)。DMS層間的磁性耦合比鐵磁性或亞鐵磁性金屬的磁性耦合弱。優(yōu)選地，包括DMS層在內(nèi)的柱狀結(jié)構(gòu)是n型摻雜半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，柱狀納米結(jié)構(gòu)和DMS區(qū)是n摻雜劑，因?yàn)殡娮颖瓤昭ň哂懈L的 自旋翻轉(zhuǎn)長度。但是總體而言空穴也是可以使用的。電子可在100微米 長的距離無相位差的情況下進(jìn)行自旋。另一方面提供了這種器件的集成陣列。本發(fā)明另一方面提供了具有與第一磁性層磁化方向不同的固定磁 化方向的第二磁性層。柱狀結(jié)構(gòu)可以包括兩個(gè)不同厚度的區(qū)域，這些區(qū)域被磁性原子摻雜 以使這些區(qū)域轉(zhuǎn)變成為稀磁半導(dǎo)體(DMS)。較薄的DMS區(qū)域是自由層， 作為存儲(chǔ)單元存在并存儲(chǔ)在磁化方向內(nèi)的信息。較厚的DMS區(qū)域是第一 磁性層，用于寫入信息，即利用電流誘發(fā)磁化反轉(zhuǎn)來旋轉(zhuǎn)較薄的DMS區(qū) 域的磁化方向。施加較小電壓并且測量通過柱狀結(jié)構(gòu)中的電流可以執(zhí)行 出信息的讀出，即磁化方向。電流大小取決于兩個(gè)DMS區(qū)域的相對磁化 方向。在平行對齊的情況下電流大于反平行對齊情況下的電流，因?yàn)樵?兩個(gè)DMS區(qū)域中電子狀態(tài)是相同的。在反平行對齊時(shí)，"自旋向上"的 電子監(jiān)測在另一DMS區(qū)域中的"自旋向下"電子的電子態(tài)，因此電流減 小。如果電流密度大于臨界電流密度，通常為1^到107 ^cW的量級(jí)， 自旋極化電流可以反轉(zhuǎn)DMS區(qū)域中的磁化方向。優(yōu)選地，所述至少一部分柱狀結(jié)構(gòu)呈管狀。在具有襯底的集成存儲(chǔ)陣列，柱狀結(jié)構(gòu)與襯底垂直地排列。所述陣列具有連接同行陣列中的器件開關(guān)的第一選擇線，以及連接 不同行中器件的柱狀結(jié)構(gòu)頂部或底部的第二選擇線。本發(fā)明還涉及制造磁性器件陣列的方法，該陣列包含在襯底上外延 生長的磁性層以形成柱狀結(jié)構(gòu)。在任意導(dǎo)電襯底上，柱狀結(jié)構(gòu)(諸如直徑在20-100nm，長度在幾百 個(gè)納米至幾個(gè)微米的半導(dǎo)體納米線(SC-NW)或納米管)都是外延生長。 這種納米線的生長可以通過VLS生長來執(zhí)行。但是也可以使用其他生長 技術(shù)，例如標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)和刻蝕技術(shù)。外延技術(shù)保證了垂直生長以及 良好的電接觸，但是對于存儲(chǔ)器的工作原理并不重要。由于自旋運(yùn)動(dòng)以 及所有自旋相關(guān)的散射事件(即自旋相關(guān)運(yùn)動(dòng))都發(fā)生在納米線或納米 管的內(nèi)部，因此需要良好的結(jié)晶度。柱狀結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域都被鐵磁性原子摻雜以形成稀磁半導(dǎo)體(DMS)。例如，可以通過向GaN 摻雜少量Mri形成(^'-"^ )^來實(shí)現(xiàn)。但是也可能有其他可能的組合。優(yōu) 選地，納米線和DMS區(qū)域是n摻雜劑，因?yàn)殡娮颖瓤昭ň哂懈蟮淖孕?翻轉(zhuǎn)長度。但是一般而言也可以使用空穴。電子可在100微米長度上無相位差的情況下進(jìn)行自旋。DMS納米線 在高于室溫的居里溫度生長。重要的是兩個(gè)DMS區(qū)域的厚度是不同的， 從而較厚的區(qū)域不改變其磁化方向。優(yōu)選地，兩個(gè)區(qū)域的分隔的厚度比 層間交換耦合或其他磁性耦合大，諸如剝離耦合。這樣保證了薄的DMS 區(qū)域的自由旋轉(zhuǎn)。但是同時(shí)，所述距離應(yīng)小于多數(shù)載流子的自旋翻轉(zhuǎn)長 度。這保證了自旋極化電流從一個(gè)DMS區(qū)域到達(dá)另一個(gè)DMS區(qū)域，以改 變磁化方向。較薄的DMS區(qū)域作為存儲(chǔ)單元，通過其磁化方向存儲(chǔ)信息。由于存取晶體管不需要附加的空間，因此在柱狀結(jié)構(gòu)中集成存取 (場效應(yīng))晶體管是有利的。這意味著存取晶體管不會(huì)限制可量測性。 存取晶體管可以放置在有源器件的上方或下方。該方法還包括在每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)周圍形成柵極電介質(zhì)。每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)周圍的填料形成至溝道，并且在柵極電介質(zhì)周圍的填 料上形成針對每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)的柵極電極。通過在半導(dǎo)體柱狀結(jié)構(gòu)和金屬柵極電極之間沉積柵極電介質(zhì)，通過 施加負(fù)的柵極電壓來耗盡n摻雜劑半導(dǎo)體柱狀結(jié)構(gòu)中的電子。這將使穿 過半導(dǎo)體柱狀結(jié)構(gòu)中的電流減小若干個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以控制讀取和寫 入過程。此外，周圍的場效應(yīng)晶體管適用于千兆赫茲量級(jí)的高切換頻率。 存取晶體管不一定是FET，但是可以是雙極型晶體管或其他類型的晶體 管。通過在有源器件上方或下方形成n-p-n或p-n-p的摻雜分布，在半 導(dǎo)體納米線中制造了雙極型晶體管。通過接觸中間基區(qū)，穿過納米線的 電流可由該連接處的電壓控制。所述方法還包括形成第二磁性層為許多柱狀結(jié)構(gòu)上的線，以形成第 二選擇線。本發(fā)明的其他方面包括制造這種器件或器件陣列的方法。 更多的特征和優(yōu)點(diǎn)將在下文中描述。任何其他特征都能組合在一 起，或和任何方面結(jié)合。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該知道其他優(yōu)點(diǎn)，尤其是超越其他現(xiàn)有工藝的優(yōu)點(diǎn)。在不背離本發(fā)明權(quán)利要求書的前提下，可 以進(jìn)行許多變化和改進(jìn)。因此，應(yīng)當(dāng)清楚本發(fā)明的形式僅為示例性，而 不是意圖限于本發(fā)明的范疇。


現(xiàn)在將參考附圖中的示例描述本發(fā)明是如何實(shí)施的。圖1示出了具有有選擇裝置的存儲(chǔ)器實(shí)施例的示意圖；圖2到圖5示出了根據(jù)實(shí)施例描述的存儲(chǔ)器的寫入和讀取過程的示意圖；圖6示出了替代實(shí)施例(和圖1比較)。為了讀取過程，增加了與 附加分隔層310連接的電極，以對區(qū)域20的磁化方向更為敏感；圖7和圖8示出了固定具有圖1所示選擇裝置的存儲(chǔ)器中區(qū)域10 的磁化方向的替代實(shí)施例；圖9示出了根據(jù)實(shí)施例所述存儲(chǔ)器陣列的示意圖；以及圖10到圖15示出了根據(jù)實(shí)施例所述的制造過程的各個(gè)步驟。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的描述將參考特殊實(shí)施例和特定附圖來描述，但是發(fā)明不局 限于此，而只受權(quán)利要求的限制。權(quán)利要求書中的任何參考符號(hào)都不用 于限制范疇。附圖中描述的只是示意圖且非受限。在附圖中，為了示例 目的，部分元件的尺寸被夸大，而非按比例繪制。本描述和權(quán)利要求書 中使用術(shù)語"包括"的地方，不排除其他元件或步驟。當(dāng)不定或確定條 款使用單數(shù)名詞如"a"或"an"時(shí)，除非有其他特殊聲明，它包括這個(gè) 名詞的復(fù)數(shù)。此外，描述和權(quán)利要求書中的第一、第二、第三和其他類似的術(shù)語 僅用于區(qū)分相似元件，無需描述次序或時(shí)間順序。應(yīng)當(dāng)理解，這么使用 的術(shù)語在適當(dāng)?shù)那闆r下可以互換，這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例可用于其 他順序的操作，而不僅向這里描述或示意的那樣。所述實(shí)施例示出了一種新的存儲(chǔ)器概念納米線或納米管磁性隨機(jī) 存取存儲(chǔ)器(麗-MRAM)。實(shí)施例可被應(yīng)用于微電子的新領(lǐng)域，即磁電子學(xué)或自旋電子學(xué)[參見Prinz， Science 282， 1660 (1998); Wolf等人, Science 294， 1488 (2001)]。實(shí)施例探索了和電子自旋一樣廣泛應(yīng)用 于微電子學(xué)的電子電荷組合，以在硬盤上進(jìn)行信息存儲(chǔ)。盡管所示的是 作為存儲(chǔ)器使用，其他應(yīng)用，諸如切換和讀取都包括在本發(fā)明的范疇內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施例中，選擇裝置和存儲(chǔ)器在諸如納米線之類的同一柱狀 結(jié)構(gòu)上生長。術(shù)語"柱狀納米結(jié)構(gòu)"試圖涵蓋一個(gè)拉長幾何形狀的較寬 范圍，包括線、管或其他可以提供所需電流密度的形狀。其他特征如下選擇裝置可包括開關(guān)，例如可以包括晶體管，如場 效應(yīng)晶體管、雙極型晶體管或其他晶體管，它們可以和柱狀納米結(jié)構(gòu)整 體生成。包括晶體管溝道的開關(guān)部分可位于柱狀結(jié)構(gòu)的一端。晶體管可 以具有有與柱狀結(jié)構(gòu)相鄰或圍繞柱狀結(jié)構(gòu)的柵極電介質(zhì)。所述晶體管可 以具有與溝道相鄰或圍繞溝道、并且由柵極電介質(zhì)隔離的柵極電極。一 個(gè)或多個(gè)磁性層可包括稀磁半導(dǎo)體材料DMS。在這一過程中，可以引入 所需雜質(zhì)原子，例如針對選擇裝置的n摻雜劑或p摻雜劑，針對存儲(chǔ)單 元的磁性雜質(zhì)如Mn、 Co和Fe，無需異質(zhì)結(jié)構(gòu)。例如半導(dǎo)體材料可以是 GaN、 GaAs或InN。磁性雜質(zhì)是薄的鐵磁性磁盤，形成單個(gè)鐵磁疇。該單個(gè)鐵磁疇的磁 化方向可在少于200皮秒內(nèi)切換，導(dǎo)致寫入速度超過1千兆赫。此外， 由于磁化圖案的漩渦狀態(tài)(vortex state),它們僅具有小的漏磁場。連 同沒有大磁場來旋轉(zhuǎn)磁化方向，這將導(dǎo)致納米線(NW) -MRAM良好的可 量測性。分隔層的厚度使得自由層在第一磁性層多數(shù)載流子的自旋翻轉(zhuǎn)長 度內(nèi)。第二磁性層可具有和第一磁性層磁化方向不同的固定磁化方向。磁性器件可以配置為存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器具有附加電路，所述向沿 柱狀結(jié)構(gòu)的電流耦合足夠的自旋極化電流密度，以改變自由磁性層的磁 化方向。所述電流可以與柱狀結(jié)構(gòu)正向或反向耦合，以根據(jù)電流的方向 向存儲(chǔ)器寫入值。至少部分柱狀結(jié)構(gòu)呈管狀。優(yōu)選地，柱狀結(jié)構(gòu)具有納 米尺寸，例如優(yōu)選地，柱狀結(jié)構(gòu)的寬度在10到100nm之間，優(yōu)選地為 10 —40nm。集成存儲(chǔ)器陣列可以具有襯底和上述磁性器件的陣列。器件的柱狀結(jié)構(gòu)可與平面襯底垂直。第一選擇線連接同一行陣列的磁性器件(諸如 幵關(guān))中的選擇裝置，并且第二選擇線連接在不同列中柱狀結(jié)構(gòu)的頂部 或底部。制造陣列的方法可包括在襯底上外延生長磁性層的步驟，以形成柱 狀結(jié)構(gòu)，以及在每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)周圍形成柵極電介質(zhì)的步驟。襯底可從任 何適合的半導(dǎo)體襯底中選取。本發(fā)明的實(shí)施例中，術(shù)語"襯底"可以包括任何下層材料或可以使 用的材料，或其上可以形成器件、電路或外延層。在替代實(shí)施例中，"襯底"可能包括半導(dǎo)體襯底，例如摻雜硅、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵 (GaAsP)、磷化銦(InP)、鍺(Ge)或硅鍺(SiGe)襯底。例如，"襯 底"可以包括除了半導(dǎo)體襯底外的絕緣層，如Si02或Si晶層。因此，術(shù) 語襯底也包括玻璃基硅、藍(lán)寶石上硅襯底。術(shù)語"襯底"因此用于限定 通常位于感興趣層或部分下面的元件。同樣，"襯底"可以是任何其上 可形成層的基底，例如玻璃層或金屬層。每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)層之間直到柵極區(qū)域都可以形成填料。并且可以在柵 極電介質(zhì)周圍的填料上形成用于每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)的柵極電極。第二磁性層 可以形成為許多柱狀結(jié)構(gòu)上的線以形成第二選擇線。根據(jù)實(shí)施例，磁性存儲(chǔ)器可以具有柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀結(jié)構(gòu)是在底部電 極上上垂直生長并且且通過頂部電極在頂部上接觸的半導(dǎo)體納米線的形 式。納米線可以有兩個(gè)厚度不同的磁性區(qū)，磁性區(qū)被磁性原子摻雜，因 此這些區(qū)域轉(zhuǎn)變成為稀磁半導(dǎo)體(DMS)。在這個(gè)實(shí)施例中，較薄的DMS 區(qū)域是存儲(chǔ)單元的自由層20，且存儲(chǔ)磁化方向內(nèi)的信息。較厚的DMS區(qū) 域10用于寫入信息，即利用電流誘發(fā)磁化反轉(zhuǎn)的方法旋轉(zhuǎn)較薄DMS區(qū)域 的磁化方向。這意味著減小了外加磁場或不需要使用外加磁場來寫入。 施加較小電壓并且測量通過納米線的電流執(zhí)行信息的讀出，即磁化方向 的讀出。電流大小取決于兩個(gè)DMS區(qū)域的相對磁化方向。在平行對齊的 情況下電流大于反平行對齊時(shí)的電流，因?yàn)樵趦蓚€(gè)DMS區(qū)域中電子狀態(tài) 是相同的。在反平行對齊時(shí)，"自旋向上"的電子監(jiān)測在另一DMS區(qū)域 中的處于"自旋向下"的電子狀態(tài)，因此電流減小。本發(fā)明實(shí)施例可具有超過1千兆赫區(qū)域的寫入速度，都是非易失性存儲(chǔ)器，具有低功率損耗和高存儲(chǔ)密度。與標(biāo)準(zhǔn)的MRAM相比，它們可以 體現(xiàn)出低功率損耗、和/或較低漏磁場、和/或較高的封裝密度。它們可 用于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器以及其他方面。磁化方向的反轉(zhuǎn)通過來自較厚的DMS區(qū)域或來自鐵磁性頂部電極的 自旋極化電流實(shí)現(xiàn)。利用施加較小電壓和測量所述電流來執(zhí)行讀取。電 流取決于較薄DMS區(qū)域相對于較厚DMS區(qū)域的磁化方向?？梢岳斫?，自 旋相關(guān)傳輸可能穿過兩個(gè)DMS區(qū)域，由于磁矩的反平行排列時(shí)電子處于 不同狀態(tài)。這與傳統(tǒng)MRAM相反，其中較薄鐵磁性圖案的磁化方向的反轉(zhuǎn) 是通過施加穿過位線和字線的大電流以及使用產(chǎn)生的磁場來執(zhí)行以反轉(zhuǎn) 磁化方向。由于寫入MRAM單元的電流較大，功率損耗很高；由于電流導(dǎo) 線周圍的漏磁場，存儲(chǔ)器密度受到限制，或者需要漏磁場的復(fù)雜屏蔽。 麗-MRAM會(huì)解決這些缺點(diǎn)。信息的寫入過程通過穿過相關(guān)鐵磁性層的自旋極化電流獲得。電子 自旋形成的這一電流作為磁化的扭矩；并且如果到達(dá)一定的電流密度， 磁化方向可以旋轉(zhuǎn)180度。盡管電流密度需要較高以獲得磁化方向的反 轉(zhuǎn)，但是由于納米線的直徑較小，因此總電流也較小。在現(xiàn)有薄膜工藝 中，很難獲得這樣小的亞微米級(jí)區(qū)域。相比之下，該納米線的直徑在幾 十納米數(shù)量級(jí)。此外，電流誘導(dǎo)磁化過程僅產(chǎn)生很小的漏磁場，因此產(chǎn) 生優(yōu)異的可伸縮性以及每平方英寸超過1千兆比特的較大存儲(chǔ)密度。值得注意的是存儲(chǔ)器是非易失性存儲(chǔ)器。由于將信息按鐵磁性層的 磁化方向存儲(chǔ)，切掉電源時(shí)信息仍然保留。這有利于手機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)， 用于加速電腦啟動(dòng)以及更換硬盤。已經(jīng)示出了單個(gè)小鐵磁疇圖案可以以 超過l千兆赫的速度切換。這將導(dǎo)致蘭-MR雄很高的寫入速度。同樣， 建議的存取場效應(yīng)晶體管可以在類似的高頻率下工作。值得注意的是MRAM相對地幾乎沒有功率損耗，因?yàn)椴恍枰⑿卵?環(huán)來保持信息。NW-MRAM甚至消耗更少的功率，因?yàn)樗米孕龢O化電流 寫入信息，而自旋極化電流比使用電流產(chǎn)生的磁場需要更少的功率。只要納米線的直徑有幾十個(gè)納米就能產(chǎn)生高存儲(chǔ)密度。同樣，如果 存取場效應(yīng)存儲(chǔ)器包括在納米線結(jié)構(gòu)中，則它不需要附加的空間。存儲(chǔ) 密度僅受限于字線和位線的分辨率。和任何磁性存儲(chǔ)器一樣，由于信息按磁化方向存儲(chǔ)且不依賴于電荷的積累，因此它對輻射和宇宙粒子不敏感。圖1示出的實(shí)施例圖1示意性地示出的本發(fā)明第一實(shí)施例包括納米線結(jié)構(gòu)。在上述的任意襯底上(未示出)提供了非鐵磁性底部電極170，其上生長了長度 在幾百納米級(jí)的半導(dǎo)體納米線(SC-NW)，例如外延生長。這種納米線的 生長可通過使用已知的技術(shù)來執(zhí)行，；例如VLS (氣液固)生長工藝。也 可以應(yīng)用其他生長技術(shù)。外延技術(shù)有利于保證垂直生長，減少界面散射 和自旋翻轉(zhuǎn)。高界面質(zhì)量能造成半導(dǎo)體中高自旋極化電流。如圖1所述， 納米線包括由稀磁半導(dǎo)體(DMS)構(gòu)成的兩個(gè)磁性區(qū)域20和10。這可以 通過濃度在幾個(gè)原子百分比數(shù)量級(jí)(例如(G""M"J^)的磁性雜質(zhì)(例 如Mn)在半導(dǎo)體(例如GaN)的這些部分進(jìn)行摻雜來實(shí)現(xiàn)[參見Applied Physics Letters 86， 032506 (2005)]。這就意味著無需生長異質(zhì)結(jié)， 從而簡化了工藝。柱狀結(jié)構(gòu)的未稀釋SC-NW區(qū)域包括在底部處的區(qū)域160和在柱狀結(jié) 構(gòu)的兩個(gè)磁性層之間的分隔層30。這些區(qū)域和DMS區(qū)域需要n型摻雜而 非P型摻雜，因?yàn)殡娮幼孕瓤昭ㄗ孕哂懈邤?shù)量級(jí)的無相位差時(shí)間。 已經(jīng)示出了電子可在100微米長度無相位差的情況下進(jìn)行自旋。在SC-NW 的頂部沉積了具有固定磁矩的鐵磁性電極100。通過典型的厚度在lOOnm 且具有有較大的范圍在500 — 1000奧斯特(Oe)的矯頑場He的厚鐵磁層 或(人工)反鐵磁體來固定磁化方向均可以固定磁矩。在SC-麗和兩個(gè) 金屬電極之間的電接觸應(yīng)該在歐姆級(jí)，以避免DMS層的附加自旋相關(guān)阻 抗。這一效應(yīng)與自旋注入的基礎(chǔ)具有相同的起因。DMS區(qū)域有兩個(gè)不同 的厚度，因此較厚的區(qū)域不改變其磁化方向。較厚DMS區(qū)域10的磁化方 向應(yīng)該方向固定且大小不變?？梢酝ㄟ^使它的厚度比區(qū)域20大實(shí)現(xiàn)。因 此，在這種情況下，區(qū)域10的厚度必須足夠厚以使磁化方向在器件的 使用壽命中不發(fā)生變化。圖7和圖8示出了替代固定用反鐵磁體(見 圖7)或人工反鐵磁體(見圖8)固定磁化方向。兩個(gè)DMS區(qū)域間的距離必須大于層間交換耦合或其他磁性耦合，諸 如剝離耦合。這就意味著較薄DMS磁盤的磁化方向可以更自由地旋轉(zhuǎn)。在區(qū)域20中用雙箭頭標(biāo)示。盡管標(biāo)示處于垂直方向，原則上其他方向也 可能存在。非磁性半導(dǎo)體分隔層30的厚度應(yīng)該比電荷載流子、尤其是電 子的自旋翻轉(zhuǎn)長度小但是比區(qū)域20和區(qū)域IO之間的磁性耦合大，以保 證區(qū)域20的磁化方向能夠不受區(qū)域10磁化方向的影響而自由改變。較薄DMS區(qū)域20作為存儲(chǔ)單元來按磁化方向存儲(chǔ)信息。具有自由 變化的磁化方向的較薄DMS區(qū)域必須足夠的厚以保證在操作溫度下能夠 保持磁化方向的時(shí)間足夠長，例如室溫下10年。這一效應(yīng)稱為超順磁性。磁性器件的選擇裝置可以是開關(guān)，例如用于選擇柱狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地， 選擇裝置和柱狀納米結(jié)構(gòu)整體形成。本實(shí)施例中用晶體管例如場效應(yīng)晶 體管150作開關(guān)，盡管原則上其他類型也可以使用。用在自由磁性層上 方且在頂部電極下方的半導(dǎo)體納米線形成晶體管的溝道50或柵極區(qū)。柱 狀結(jié)構(gòu)被絕緣材料的柵極電介質(zhì)60包圍。柵極電極70包圍在柱狀結(jié)構(gòu) 溝道周圍，并由柵極電介質(zhì)分離。集成存取晶體管的柵極電極70可制造 成環(huán)繞式柵極以增加與區(qū)域50的耦合。柵極電介質(zhì)和有源器件保護(hù)層60可以是Si02、 Si具或任何其他電 介質(zhì)材料。為了起保護(hù)作用，可以在柵極電極和有源器件上使用不同的 材料。對于有源器件，它可以是具有較寬能帶間隙的芯-殼結(jié)構(gòu)。柱狀結(jié)構(gòu)的直徑在40 — 50nm，長度為幾百納米。圖2到圖5示意性地示出了讀取和寫入過程。寫入信息意味著較薄 函S區(qū)域的磁化方向根據(jù)二進(jìn)制邏輯值確定，即邏輯高值或邏輯低值。 圖2和圖3分別顯示了根據(jù)沿柱狀結(jié)構(gòu)寫入電流的方向?qū)懭?1"和 "0"。磁化方向可以用帶有高電流密度的自旋極化電流反轉(zhuǎn)。當(dāng)區(qū)域 20和區(qū)域10的磁化方向平行(見圖2)時(shí)，電流比圖3所述的反平行時(shí) 的電流大。這一眾所周知現(xiàn)象的原因是區(qū)域20中的自旋相關(guān)散射。電源80用于提供寫入電流。傳統(tǒng)的薄膜技術(shù)中很難達(dá)到這么高的 電流密度，但是對于SC-Nf而言高電流密度是固有的，因?yàn)橹鶢罱Y(jié)構(gòu)的 直徑很小，僅有幾十個(gè)納米的量級(jí)。薄圓鐵磁性磁盤形成了可以在200 皮秒內(nèi)切換的單個(gè)鐵磁疇，從而使得寫入速度超過1千兆赫。此外，由 于磁化圖案處于渦旋狀態(tài)導(dǎo)致它們僅有很小的漏磁場，因而麗-MRAM具 有良好的可量測性。圖4和圖5分別示出了存儲(chǔ)信息的讀取，并且通過在用于寫入"1" 的方向上施加較小電壓(比用于寫入的電壓小，通常只有幾mV)并且測 量流過的電流來實(shí)現(xiàn)。在圖4中，用連接頂部電極和底部電極的電流檢 測器180檢測到的電流高于第一閾值(用虛線表示)，代表"1"被讀取。 在圖5中，電流小于第二閾值，代表"0"被讀取。第一閾值和第二閾值 可以相同，也可以不同。如果兩個(gè)DMS區(qū)域具有平行對齊的磁化方向， 電流比反平行排列的情況下的大。在后一種情況中，相對于較厚DMS層 磁化方向具有確定自旋方向的電子從較厚DMS區(qū)域經(jīng)由非磁性SC-NW傳 播至較薄DMS區(qū)域而不損失其自旋信息，例如通過自旋翻轉(zhuǎn)過程。但是 電子將遇到較薄DMS區(qū)域中的不同狀態(tài)，也就是由于兩個(gè)DMS區(qū)域磁化 方向的反平行對齊造成的另一種自旋狀態(tài)。因此，大多數(shù)電子在界面處 反射，導(dǎo)致較高的阻抗和較小的電流。為了處理存儲(chǔ)單元，本方法中可以很容易的增加存取場效應(yīng)晶體 管，而無需附加空間。這就意味著存取晶體管不限制可量測性。在SC-NW 和金屬柵極電極之間沉積柵極電介質(zhì)，利用施加負(fù)的柵極電壓將SC-NW 中的電子耗盡。這樣，穿過SC-麗的電流將減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，圍 繞的柵極場效應(yīng)晶體管適用于幾個(gè)千兆赫的高切換頻率，可用于操作 而-MRAM器件。圖6示出了納米線內(nèi)DMS層的替代疊層。兩個(gè)DMS區(qū)域具有固定的 磁化方向10和300。 DMS區(qū)域20具有可變磁化方向，用于存儲(chǔ)信息。寫入過程并沒有改變(不對稱性是由電流方向引入的)。然而，由 于疊層的對稱性，讀取過程不得不發(fā)生改變。在區(qū)域310上形成額外的電極連接以對區(qū)域20的磁化方向敏感。圖7示出了替代實(shí)施例，其中區(qū)域10的磁化方向被其下的反鐵磁 體400固定。由于區(qū)域10和400之間的磁性耦合以及來自外加磁場的反 鐵磁體的不敏感，區(qū)域10的矯頑場與區(qū)域20相比非常高。圖8示出了圖7的替代實(shí)施例，其中區(qū)域10的磁化方向由人工反 鐵磁體500固定。區(qū)域10和區(qū)域500是DMS區(qū)域。在層10和層500之 間放置了非磁性分隔層510。由于層間交換耦合，區(qū)域10和區(qū)域500的磁化方向可以彼此反平行對齊。兩個(gè)鐵磁性層的耦合隨著鐵磁性和反鐵磁性耦合間分隔層厚度 的增加而振蕩。而且，耦合強(qiáng)度隨分隔層厚度的增加而下降。如果兩個(gè)DMS區(qū)域10和500的磁化方向反平行對齊，則它們比層20具有更大的 矯頑場。圖9示出了在NW-MRAM陣列中和單個(gè)存儲(chǔ)單元接觸的可能方式，其 他排列可以設(shè)想。在本圖中，圖示了兩行三個(gè)器件，在諸如可尋址陣列 中也可以更多。陣列可以按照行和列排列，也可以按其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為 清楚起見，僅描述笛卡爾陣列。每個(gè)水平排列的行都有第二選擇線，以 位線的形式由本行每個(gè)器件(200A， 200B， 200C)形成或與每個(gè)器件相 連。這與圖1中的"-"對應(yīng)。每個(gè)柵極電極都以字線(用垂直線表 示)的形式與不同幅度第一選擇線相連(或組合以形成不同的第一選擇 線)，字線對應(yīng)圖1的"一。因此器件200A和210A與第一字線上相連， 200B和210B第二字線相連，200C和210C與第三字線相連。本示例中的 底部電極全部與公共地相連。用于存儲(chǔ)單元尋址或信號(hào)放大等的集成電路可置于有源器件的上 方或下方，也就是在納米線上方或下方。因此，不需要為額外電路提供 額外空間。同樣，由于納米線不需要高質(zhì)量襯底來生長，因此可以在不 同納米線層的頂部封裝。此外，襯底可以是硅，但是原則上可以是任何 其他材料，比如甚至是無定形材料。這樣使得磁性器件的設(shè)計(jì)具有更大 的靈活性。圖10到圖15示出了根據(jù)實(shí)施例制造器件的方法中部分原理步驟的 界面圖。在圖10中，底部電極170在襯底220上形成。在圖11中，許 多以上述納米線形式存在的柱狀結(jié)構(gòu)在普通底部電極上外延、垂直生長。 在圖12中，柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁被柵極電介質(zhì)材料60覆蓋，在柱狀結(jié)構(gòu)之 間形成填料230。在圖13中，在每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)周圍形成柵極電極70。在圖14中，在 柵極電極的頂部形成絕緣層，在絕緣層上形成開口 250以保證與柵極電 極接觸。柱狀結(jié)構(gòu)的頂部暴露。在圖15中，以字線形式存在的第一選擇 線形成導(dǎo)體，以便填充開口 250以及連接?xùn)艠O電極。鐵磁性材料的頂部 電極100在柱狀結(jié)構(gòu)頂部形成以便形成位線。同樣，完成底部電極與地面的連接。本發(fā)明包括在其范圍內(nèi)的許多改進(jìn)和替代?？梢园凑找阎碓诩{米線中引入反鐵磁性穩(wěn)定磁性區(qū)。如果找不到反鐵磁性DMS，也可以是 另一個(gè)不同材料層。底部電極可以是鐵磁性電極，取代頂部電極。在這 種情況下，兩個(gè)DMS層需要交換。不考慮其他層，晶體管可以置于這種 結(jié)構(gòu)的底部，而不是頂部。在部分部件或全部部件中納米線可以是中空 的以形成納米管，這樣可以降低來自電流的漏磁場，尤其是來自磁性區(qū) 域。需要使用一個(gè)DMS區(qū)域，而不是圖示的兩個(gè)。在這種情況下，底部 電極也需要是鐵磁性的，且?guī)в邢鄬τ陧敳侩姌O反平行排列的磁矩。與 電極接觸的兩個(gè)觸點(diǎn)中，其中一個(gè)需要是歐姆級(jí)，另一個(gè)是肖特基勢(位) 壘，為讀取過程形成不對稱性。除VLS外的其他生長方法也可以使用。該匿-MRAM實(shí)施例的應(yīng)用可覆蓋計(jì)算機(jī)基本存儲(chǔ)器、手機(jī)存儲(chǔ)器和 PDA的巨大市場。由于高存儲(chǔ)密度，麗-MRAM有能力替代甚至是計(jì)算機(jī)的 硬盤，導(dǎo)致計(jì)算速度的巨大提升。如果未來自旋電子學(xué)或磁電子學(xué)能夠 廣泛應(yīng)用，該麗-MRAM本身就是純自旋電子器件，因此它適用于自旋電 子器件，也就是所有信息處理僅在電子自旋的基礎(chǔ)上，而且電荷僅用于 控制信息流。極大的興趣在于作為手機(jī)中具有高存儲(chǔ)密度、非易失性、 低功率損耗存儲(chǔ)器的應(yīng)用。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知道在權(quán)利要求 書中的其他變化和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1、一種磁性器件，包括具有固定磁化方向的第一磁性層(10)；具有可變磁化方向的自由磁性層(20)；將第一磁性層與自由磁性層相分離的分隔層(30)；以及用于選擇磁性器件的選擇裝置(40)，所述層和至少一部分選擇裝置形成為柱狀結(jié)構(gòu)，所述選擇裝置由柱狀結(jié)構(gòu)整體形成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中一個(gè)或多個(gè)磁性層包括稀磁 半導(dǎo)體材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，所述選擇裝置包括開關(guān)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中所述開關(guān)是晶體管。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件， 一部分選擇裝置包括晶體管溝道 (50)。
6、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述部分的選擇裝置位于 柱狀結(jié)構(gòu)的一端。
7、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述器件具有圍繞柱狀結(jié) 構(gòu)的柵極電介質(zhì)層(60)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的器件，所述器件具有柵極 電極(70)，所述柵極電極(70)位于溝道周圍并且由柵極電介質(zhì)與溝道 分離。
9、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述自由磁性層(20)比 第一磁性層(10)薄。
10、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述分隔層的厚度使得自 由層在第一磁性層多數(shù)載流子的自旋翻轉(zhuǎn)長度內(nèi)。
11、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述柱狀結(jié)構(gòu)包括n型摻 雜劑原子。
12、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述器件包括具有固定磁 化方向的第二磁性層(100)，所述固定磁化方向不同于第一磁性層的磁 化方向。
13、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述器件作為存儲(chǔ)器并且具有電路(80)，所述電路配置用于使沿柱狀結(jié)構(gòu)的電流與足夠的自旋極 化電流密度耦合，以改變自由磁性層的磁化方向。
14、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，所述器件作為存儲(chǔ)器并且 具有電路(80)，所述電路配置用于使柱狀結(jié)構(gòu)上的電流在正向或反向耦 合，以根據(jù)電流方向?qū)?shù)值寫入存儲(chǔ)器。
15、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的器件，至少一部分所述柱狀結(jié)構(gòu) 呈管狀。
16、 一種集成存儲(chǔ)器陣列，具有襯底以及根據(jù)前述任一權(quán)利要求所 述器件的陣列，所述柱狀結(jié)構(gòu)配置為與所述襯底垂直。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的陣列，所述陣列具有連接所述陣列同 一行中器件的開關(guān)的第一選擇線和連接不同行器件的柱狀結(jié)構(gòu)頂部或底 部的第二選擇線(100)。
18、 一種制造根據(jù)權(quán)利要求17所述的陣列的方法，包括在襯底 上外延生長磁性層以形成柱狀結(jié)構(gòu)。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括在每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)周圍形 成柵極電介質(zhì)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括在每個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)周圍形 成填料(110)直至溝道，以及在所述柵極電介質(zhì)周圍的填料上形成用于每一個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)的柵極電極。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括形成第二磁性層(100)作為許多柱狀結(jié)構(gòu)的頂部上的線條，以形成第二選擇線。
全文摘要
非易失性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的集成陣列，每個(gè)存儲(chǔ)器都具有固定磁化方向的第一磁性層(10)；具有可變磁化方向的自由磁性層(20)；將第一磁性層與自由磁性層相分離的分隔層(30)，以及器件選擇開關(guān)(40)，所述層和至少一部分開關(guān)形成為諸如納米線之類的柱狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述開關(guān)和柱狀納米線結(jié)構(gòu)整體形成。通過將柱狀結(jié)構(gòu)中的開關(guān)合并進(jìn)磁性中，器件可以做的更小以能夠?qū)崿F(xiàn)更大的集成。這可以應(yīng)用于使用外部場或只使用在柱狀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的場的磁性器件。寫入電流可以沿柱狀結(jié)構(gòu)正向或反向耦合，以根據(jù)電流的方向改變自由磁性層的磁化方向。
文檔編號(hào)G11C11/16GK101278353SQ200680036236
公開日2008年10月1日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者奧拉夫·溫尼克 申請人:Nxp股份有限公司